半导体器件物理5孟庆巨ppt课件

Chapter 5 MOS Devices
The metal-oxide-semiconductor, or MOS diode, is of paramount importance in semiconductor device physics. This is because the device has proved to be extremely useful in the study of semiconductor surfaces, and the MOS diode forms the heart of the most important device for very-large-scale integration-the MOSFET. In this chapter, we first consider its characteristics in the ideal case; then we discuss the basic characteristics of MOSFET.
Fig. 5.3a
2. When a small positive voltage (V ＞ 0) is applied to an ideal MOS diode, the energy bands bend downward, and the majority carriers (holes) are depleted (Fig. 5.3b). This is called the depletion case. The space charge per unit area, Qsc, in the semiconductor is given by the charge within the depletion region:

§5.1.1欧姆定律的微分形式
欧姆定律
I U R
E
R I
U
为了半导体内部常遇到电流分布不均匀的情况， 推导出欧姆定律的微分形式
J E
式中 σ=1/ρ为半导体电导率。
§5.1载流子的漂移运动和迁移率
§5.1.2 漂移速度和迁移率
• 无外场时，半导体中的载流子作无规则的热运 动
• 在外电场下，载流子受到电场力F
mn*
p
pq p
pq 2 p
m*p
混合型：
p
pq p
nqn
pq2 p
m*p
nq2
mn*
n
§5.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
§5.3.2电导率、迁移率与平均自由时间的关系
对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体
J
n 3
q1
E
x
n 3
q
2
E
x
n 3
q
3
E
x
1 3
nq
(1
2
3)Ex
令 J x nqc Ex
• 总的效果是，载流子在电场力的作用下作定向 运动—漂移运动：
a
dv dt
F mn*
§5.1载流子的漂移运动和迁移率
§5.1.2 漂移速度和迁移率
载流子在电场力作用下 的运动称为漂移运动， 其定向运动的速度称为 漂移速度。
带电粒子的定向运动 形成电流，所以对电子 而言，电流密度应为
J n(q) v d
第5章 半导体的导电性
本章主要讨论载流子在外加电场作用下的 运动规律，介绍描述半导体导电性的重要物理 量——电导率和迁移率，引入了载流子散射的 概念和各种散射机构，进一步讨论半导体的迁 移率、电阻率随杂质浓度和温度的变化规律。 定性介绍强电场下的效应，应用谷间散射简要 解释耿氏效应。

VE ≡ VBE ≡ VB − VE ，加 在 基 极 与 集 电 极 之 间 的 偏 压（ 集 电 结 偏 压 ）记 为 VC ≡ VBC ≡ VB − VC 。
3. BJT 被 划 分 为 均 匀 基 区 和 缓 变 基 区 两 类 。均 匀 基 区 晶 体 管 的 基 区 杂 质 浓 度 等 于 常 数 ，不 随 位 置 不 同 而 变 化 ，低 注 入 下 基 区 少 子 的 运 动 形 式 是 扩 散 。缓 变 基 区 晶 体 管 的 基 区 掺 杂 浓 度 是 随 位 置 变 化 的 ，低 注 入 下少子的运动既有扩散也有漂移，曾被称作漂移晶体管。
4. 双极晶体管有四种工作模式
正 向 有 源 模 式 （ VE >0， VC <0）； 反 向 有 源 模 式 （ VE <0， VC >0）； 饱 和 模 式 （ VE >0， VC >0）； 截 止 模 式 ：（ VE <0， VC <0）。
5. 基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的关键。如果基区较宽（远 大 于 电 子 扩 散 长 度 ）， 注 入 到 基 区 的 过 量 电 子 在 到 达 集 电 结 之 前 被 复 合殆尽，此时晶体管是两个背靠背的 PN 结，不可能有放大作用。 6.BJT 的电流分量：
10. 穿 透 电 流 ICE0 是 共 发 射 极 接 法 基 极 开 路 ，集 电 极 — 发 射 极 之 间 的
电流，也叫做漏电流。
11.在 共 发 射 极 电 路 中
IC = hFE IB + ICE0
（ 3-12）
由于 IB 与 VCE 无关，IC0 也与 VCE 无关，因此公式（3-12）中的 IC 的 斜率为零。
授课内容

单晶
有周期性
非晶
无周期性
PPT课件
多晶
每个小区域有周期性
6
3、晶体的结构
1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使 得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结 构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空 间点阵成为晶格。
2）晶体结构与原子结合的形式有关
晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合
半导体的基本特性
温度效应-----负温度系数 掺杂效应-----杂质敏感性 光电效应-----光电导 电场、磁场效应
4 PPT课件
常见的半导体材料
5 PPT课件
2、固体的结构
固体从其结构来讲有规则和不规则，如玻璃的结 构则是不规则的，而硅单晶的结构是规则的：
– 按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电 子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束 缚，而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
• 绝缘体的带隙很大
24 PPT课件
三、半导体中的载流子
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
• 电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。
• 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。
25 PPT课件
(1)电子空穴对
硅原子有：

7、说明非平衡载流子寿命的物理意义，非平 衡载流子寿命长或短标志着什么？为什么 说寿命是结构灵敏参数？说明 △p(t)=△p0exp(-t/τ)中各项的物理意义。 8、区别平均自由时间，驰豫时间和非平衡少 子寿命三个物理量？ 9、根据寿命的基本概念证明：τ＝1/p；式中 p为非平衡载流子的复合几率？
33、求证：禁带宽度为Eg的半导体，其某非 均匀掺杂半导体，其导带电子浓度在x方向 上线形变化，即n(x)=ni(1+Gx) （1）设费米能级随x变化而变化，求电场E(x)； （2）如何保持样品处于热平衡状态？ （3）设NA＝ax，a为常数，ND=Nexp(-ax)， 求其两种条件下的体内电场E(x)，并画出两 种条件下的能带图。
28、光辐射照到一个开路的细长条半导体样品的一 端： （1）写出稳态时，少数载流子浓度与距离的函数 关系； （2）写出描述该函数关系的方程中的全部符号的 定义； （3）当小注入时，少数载流子电流的主要成因是 漂移、扩散，或是二者兼而有之？ （4）当小注入时，少数载流子电流的主要成因是 漂移、扩散，或是二者兼而有之？
34、室温下，n-CdS薄膜的掺杂浓度 为ND=1017cm-3，少子寿命为0.1微 秒，ni=1.0×107cm-3，如少数载流 子在一定条件下全部被清除，问电子空穴对的产生率是多大？
p F
22、（1）连续性方程是什么物理定律的数学 表达式？ （2）对于空穴，该方程左边为dp/dt，右 边则有好几项，说明其中每一项各代表什么？ 23、D、μ、τ、L四个参量之间的关系如何？检 查他们各自的量纲和单位，讨论扩散系数与 那些物理量有关？
24、如何了解D/L代表扩散速度。 25、区别说明扩散长度、牵引长度和平均自由程这 三个物理量。 26、分别写出直接复合和间接复合的净复合率u的 表达式，并解释各项的物理意义。 27、光辐射均匀地照射在半导体样品上，并达到稳 态。当t＝0时光辐射撤去。（1）写出t≥0时少子 浓度与时间的函数关系。（2）给出描述该函数 关系的方程中全部符号的定义。

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价 电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
PPT课件 N型半导体结构示意图
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在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电 子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束 缚，而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
单晶
有周期性
非晶
无周期性
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多晶
每个小区域有周期性
6
3、晶体的结构
1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使 得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结 构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空 间点阵成为晶格。
2）晶体结构与原子结合的形式有关
晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合
杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原 子所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体 中引入新的电子能级态，这将对半导体的特性产生 决定性的影响。
Si能够得到广泛应用的重要原因是：可对其杂质实 现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。
32 PPT课件
掺杂： 为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程 掺杂杂质一般为替位式杂质 扩散和注入是典型的掺杂工艺 杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数

半导体器件物理 _chapter5_MOS场效应晶体
管讲解
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温
42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚
43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊
44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富ห้องสมุดไป่ตู้勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利

8
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
a 3/2
例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
3
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
二）杂质原子取代晶格 替位式杂质 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。
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两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所 以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质
原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它 们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与 Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。
例1
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 例2 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）

《半导体器件物理》（孟庆巨）勘误第一章P4 ： ()()()()r u k E r u r V k i m k k =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛+∇2212 (1-16)： k －kP7 ： 332211e m e m e m m++=* (1-30)： 右端m 白体 P24 ：()11ln 22V i c V cN E E E KT N =++ ： p35 ：公式（1-109）及隔1行01exp a N N τ⎛⎫=- ⎪⎝⎭： 分子1改为t p42 ：“对（1-146）式求导并将p ，dxdp和（1-144）中： （1-144）－（1-140） p51 ：（1-199）t p pN C 11=τ, t n n N C 11=τ 改为： 1p p tC N τ=, 1n n t C N τ= 下一行亦做相应改动。

P52下11行：（1-203）－（1-200）第二章P61 ：式（2-17）： 2002d nqN x k ψ=∈P63：图2-5（a ）00q ψψ- P73改为：220TTp i V V V V i d p p ddD n n I qAeqAL e L N N τ==P75： 图2-12（c ）错：Fn Fp E E 应与同一水平。

P77：上8行（2-51）－（2-50）P77 ：公式（2-267）改为：02p d n i Gp d n a D I D n I W L N L N τ⎛⎫≈+ ⎪ ⎪⎝⎭P78：图2-15的55改为：―55P79：“对于线性缓变结”，后面的21C 改为：31CP82：公式（2-93）改为：2220a apd p p dx L -='p83：边界条件公式(2-95)改为：1na a nx x p p x W =⎧=⎨=⎩P86：上数第二段改为：从图2-22可见，从t =0到s t t <，P87：公式（2-113）改为：f r fI erfI I =+ （2-113）P87公式（2-113）下2行：图2-22改为2-21。

《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社 5
固体半导体
半导体物理学研究的对象是固体半导体。 按照构成固体的粒子在空间的排列情况，固体 主要分为晶体和非晶体两类。晶体又有单晶体 和多晶体之分。
在半导体物理中所涉及的晶体主要是单晶体。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社 6
第1章 晶体结构与晶体结合
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 晶体结构 晶列与晶面 倒格子 晶体结合 典型半导体的晶体结构
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半导体定义
半导体：常温下导电性能介于导体与绝缘 体之间的材料。 元素半导体：由一种元素构成的半导体。 化合物半导体：做由二种或两种以上元素 构成的半导体。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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二维晶格中的原胞的选取
问题：哪些是原胞？
答：在二维晶格中，原胞是平行四边形。平行四边形C 和 D 包含两个格点。 A 和 B 包含一个格点。因此平行四 边形A和B是二维晶格的原胞。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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立方面心格子和立方体心格子的原胞
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布拉维格子（晶格）
通过点阵中的阵点画任意三组平行直线就可以 得 到 一 个 空 间 格 子 ， 称 为 布 拉 维 格 子 (Bravis lattice)或简称为晶格。在晶格的概念中，阵点称 为结点或格点。 空间点阵或晶格完全反映了晶体内部结构的周 期性。 值得注意的是，晶格和晶体结构是两个不同的 概念。晶体结构是指晶体中的原子排列，而晶 格则是指基元的代表点在空间的分布。